趙真
摘要:碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井的滲流與傳統(tǒng)的氣藏之間有很大區(qū)別,正確認(rèn)識該氣藏的開發(fā)原理,是科學(xué)、合理開發(fā)的關(guān)鍵。在開發(fā)碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井的過程中,應(yīng)實時掌握巖石的變形特征,并以此來確定滲透率以及儲層孔隙度等隨時可能會變的參數(shù)?;趦映霈F(xiàn)斷裂以及基質(zhì)可能會發(fā)生變形等原因,通過碳酸鹽巖超高壓氣藏數(shù)值模擬及氣井滲流模型來完成開采動態(tài)特征的研究。
關(guān)鍵詞:超高壓氣藏;雙重介質(zhì);滲流機(jī)理;應(yīng)力敏感;非達(dá)西;數(shù)學(xué)模型;動態(tài)預(yù)測
異常高壓氣藏是一種較為特殊的氣藏,地層壓力系數(shù)超過了1.3的分界線,而地層壓力系數(shù)超過1.8的氣藏被稱為超高壓氣藏。目前,我國已發(fā)現(xiàn)的高壓以及超高壓氣藏儲量達(dá)到了驚人的8000×108 m3,塔里木盆地中包含的各種氣田均屬于超高壓氣藏,而中國石化在四川盆地勘察開發(fā)時發(fā)現(xiàn)的雙廟以及中石油發(fā)現(xiàn)的河壩燈氣藏均屬于碳酸鹽超高壓氣藏。超高壓氣藏與普通氣藏的區(qū)別在于,超高壓氣藏的地層壓力系數(shù)非常高,而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,滲透性與常規(guī)的氣藏不同,在開發(fā)過程中可能會出現(xiàn)巖石變形的情況,開發(fā)特征與傳統(tǒng)的氣藏有著很大的區(qū)別。因此,在研究氣藏的敏感力以及滲流原理時,合理地建設(shè)儲層中的滲流模型,對超高壓氣藏氣井的開發(fā)有著重要的意義。
1 碳酸鹽巖超高壓氣藏地質(zhì)特征
由于碳酸鹽巖儲層的形勢較為多元化,針對碳酸鹽巖油藏進(jìn)行分類也較為困難,特性的不同導(dǎo)致分類的體系也不同,主要將碳酸鹽巖逐層分為6類,分別為碳酸鹽巖砂、巖溶/裂縫碳酸鹽巖、深海白堊巖/白堊質(zhì)陸硼石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、前緣斜坡/碎屑碳酸鹽巖、碳酸鹽巖建造/骸晶堤。
第一大儲層類型是巖溶/裂縫碳酸鹽巖,在此油藏中,絕大部分的巖相都存在一定的巖溶作用或破裂的可能,這些因素對儲層開采經(jīng)濟(jì)價值有著極其重要的影響。這種類型的儲層大多基巖孔隙度和滲透率較低,沒有巖溶作用或壓裂作用,不能開發(fā)。巖溶/裂縫碳酸鹽巖儲層存在于許多不同的地質(zhì)環(huán)境中,時代從晚寒武世到第三紀(jì)不等。
第二大儲層類型是碳酸鹽巖建造/孤立骸晶堤。此類型大多含有較為特殊的地質(zhì)特征和良好的溶蝕孔隙,而且該類型的地層關(guān)系在油氣圈團(tuán)中起到重要作用。碳酸鹽巖建造/孤立骸晶堤的出現(xiàn)與儲存年代密切相關(guān)。
第三種主要儲層類型為陸相硼斜坡碳酸鹽砂,大部分保留了良好的原生粒間孔隙,但次生溶蝕孔隙通常出現(xiàn)在骨架堤中[1]。該類儲層的性質(zhì)和構(gòu)造受原始沉積相控制。
2 超高壓氣藏巖石變形試驗研究
在進(jìn)行超高壓氣藏的地下研究中,壓力的沖擊甚至達(dá)到了111.0 MPa,為了使氣藏開采任務(wù)按照計劃完成,中國石化展開了調(diào)查研究,研制出一套可以在高壓以及高溫的環(huán)境下進(jìn)行檢測的裝置。該裝置與之前的裝置相比,主要優(yōu)化了以下3點:(1)持夾器采用性能更好的復(fù)合材料支撐,瓷材料可以在150.0 MPa的高壓和200 ℃的高溫環(huán)境下工作,同時其密封性得到了優(yōu)化升級,采用了全新的密封設(shè)計,即使設(shè)備在惡劣的環(huán)境下工作,該裝置也能保持較好的密封性。(2)套筒也采用了全新的材料進(jìn)行設(shè)計,解決了普通材料在高壓下的氣體泄露問題,讓設(shè)備即使在滲流速度極慢的情況下也可以進(jìn)行準(zhǔn)確定位。(3)該裝置也新增了多種轉(zhuǎn)接頭,可以與任意設(shè)備進(jìn)行連接。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn),該裝備具有耐高溫、耐高壓、定位精準(zhǔn)的優(yōu)點,完全可以在超高壓的環(huán)境中工作。
本研究主要通過變增壓以及編孔方式來精準(zhǔn)進(jìn)行壓力模擬試驗,試驗成功后再將設(shè)備正式投入實際工作中。此類試驗方法可以模擬氣藏從原始底層壓力到廢棄壓力開發(fā)過程中儲層的應(yīng)力敏感性[2]。
3 超高壓裂縫性應(yīng)力敏感氣藏數(shù)值研究方法
在碳酸鹽巖超高壓氣藏開采中,隨著地層壓力的減小,巖石的滲透率以及孔隙度也會逐漸發(fā)生變化,而且碳酸鹽巖超高壓氣藏中應(yīng)力敏感性的表現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù),在第一次氣田開采中,應(yīng)力逐漸增大,而巖石的滲透率則會慢慢降低,當(dāng)應(yīng)力超過一定階段后,滲透率才會逐漸平緩,表明滲透率在碳酸鹽超高壓氣井工作中起到非常重要的作用。常規(guī)的氣藏滲透性僅代表一個空間的函數(shù),與開發(fā)時間和壓力沒有任何關(guān)系,巖石的壓縮系數(shù)也更為成熟,而超高壓氣藏在開采過程中會受到各種因素的影響,因此在建立開采模型時,應(yīng)注意這一點。
3.1 天然氣高速非達(dá)西運動方程
多孔介質(zhì)的滲透率在天然氣中主要說明了井筒周圍的滲流不符合達(dá)西流動規(guī)律,而是存在層流與湍流的跡象。目前,公認(rèn)常用的氣體滲流定律都是按照這個規(guī)律進(jìn)行計算的[3]?,F(xiàn)有的數(shù)值模擬主要通過二項式方程并通過井筒引入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行描述。然而,在氣體高速流動的情況下,僅用二項式方程并不能描述滲流規(guī)律。
3.2 模型求解
超高壓雙介質(zhì)氣藏三維氣水兩相滲流數(shù)學(xué)模型是一個包含了氣體黏度、滲透率、孔隙度等參數(shù)的非線性數(shù)學(xué)模型,考慮到參數(shù)均為壓強(qiáng)的函數(shù),應(yīng)采用有限差分法求解。為了準(zhǔn)確計算井底附近的壓力分布,采用了不均勻網(wǎng)格進(jìn)行微分計算,即網(wǎng)格離井孔越近,密度越大。微分方程為七對角非線性方程組,采用IMPES方法求解。在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,開發(fā)了考慮儲層裂縫、基質(zhì)變形以及高速非達(dá)西流動的碳酸鹽巖超高壓雙介質(zhì)氣藏單井?dāng)?shù)值模擬程序。實踐中,裂縫和基質(zhì)滲透率、孔隙度隨地層壓力的變化可以直接使用室內(nèi)巖心的裂縫應(yīng)力敏感試驗數(shù)據(jù)和矩陣,也可以應(yīng)用試驗數(shù)據(jù)回歸公式裂縫前緣的滲透率變化指數(shù)公式分為3段,用指數(shù)公式擬合出基質(zhì)滲透率的變化規(guī)律[4]。
4 碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井開采特征研究
為了研究超高壓碳酸鹽巖氣藏在開采過程中破裂裂縫和基質(zhì)變形對氣井生產(chǎn)動態(tài)特征的影響,利用川東北地區(qū)超高壓氣藏應(yīng)力敏感試驗數(shù)據(jù),以雙重介質(zhì)氣藏數(shù)值模擬變形技術(shù)的研究為基礎(chǔ),預(yù)測氣井壓力在氣藏開發(fā)過程中發(fā)展指標(biāo)的變化,如對氣井生產(chǎn)動態(tài)特性的碳酸鹽巖氣藏超高壓力進(jìn)行了研究,并分析了碳酸鹽巖裂縫變形對超高壓氣藏開發(fā)效果的影響,為超高壓氣藏的開發(fā)提供了依據(jù)。
4.1 地質(zhì)模型的建立及歷史擬合
根據(jù)勘察結(jié)果,針對氣井實際情況建立地質(zhì)模型,深度為4977.0~4983.6 m,天然氣地質(zhì)儲量為12×108 m3,含氣飽和度為90.00%。滲透率和孔隙度按照測試結(jié)果設(shè)定,基質(zhì)孔隙度為3.32%~5.82%,滲透率為0.02×10﹣ 3~0.15×10﹣ 3 μm2;裂縫孔隙度為0.50%,滲透率為10×10﹣ 3 μm2。原始地層壓力為111.1 MPa,地下溫度為130 ℃,天然氣的相對密度為0.565。根據(jù)所搭建的模型,對碳酸鹽超高壓氣藏氣井中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。由此看來,生產(chǎn)歷史擬合的結(jié)果較好。
4.2 超高壓氣井的產(chǎn)量變化特征
在碳酸鹽超高壓氣藏中,巖石變形對開發(fā)具有一定影響。在所有配產(chǎn)情況一致的情況下,巖石變形越嚴(yán)重,則氣井越不穩(wěn)定,穩(wěn)產(chǎn)期越短,采收率會逐漸下降。建立巖石變形、氣井不同產(chǎn)量配置條件下的開發(fā)指標(biāo)預(yù)測曲線,隨著氣井產(chǎn)量的增加,穩(wěn)產(chǎn)期的穩(wěn)定生產(chǎn)和采收率會大幅度降低。例如,當(dāng)氣井配備20×104 m3/d產(chǎn)量時,穩(wěn)產(chǎn)期可達(dá)8年,穩(wěn)產(chǎn)末期采收率為44.50%;當(dāng)氣井配備60×104 m3/d產(chǎn)量時,穩(wěn)產(chǎn)期僅為1年,穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束時采收率為16.50%。
4.3 氣井井底流壓變化特征
在碳酸鹽巖超高壓氣藏開發(fā)過程中,在相同條件下,若不考慮儲層巖石變形的因素,井底流壓會降低,而且下降速度會加快??紤]到巖石變形情況,如果氣井配產(chǎn)過高,井底流壓下降速度會先慢后快。因此,在開采初期,如果配產(chǎn)過高,巖石變形將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的壓差,進(jìn)而影響開采工作的進(jìn)度以及后期整體指標(biāo),因此,必須建立合適的配產(chǎn)來確保開發(fā)的整體效果。
4.4 地層壓力的變化特征
在基本不受水侵影響的常規(guī)氣藏中,地層壓力與累積產(chǎn)氣量的關(guān)系大部分為一條直線。與常規(guī)氣藏不同的是,超高壓氣藏壓力降曲線表現(xiàn)出上“冠”屬性,初期下降緩慢,后期下降迅速;如果考慮巖石變形,曲線較凸,顯示出相同的壓降,超高壓氣藏的累積產(chǎn)氣量要大于常壓氣藏[5]。研究表明,氣井產(chǎn)量分配越高,巖石變形時地層壓力下降得越快;在穩(wěn)產(chǎn)期,地層壓力幾乎呈線性下降。
5 結(jié)語
在考慮儲層裂縫和基質(zhì)巖石變形的基礎(chǔ)上,建立了碳酸鹽巖氣藏高速非達(dá)西滲流模型以及數(shù)據(jù)模型,并以此進(jìn)行了生產(chǎn)動態(tài)研究,分析了碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井的開采特征。
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